01분반 1조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 자동 세척 및 건조 시스템을 활용한 대기질 개선 스마트 가로등

영문 : Designing smart streetlight for air quality improvement using automatic cleaning and drying system

과제 팀명

H2S2H

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 최*수(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 이*영

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 전*형

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 조*진

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

해당 과제에서는 자동세척장치를 이용한 대기질 개선 스마트가로등의 설계를 진행한다.

(1) 자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치

(2) IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

(3) 강수 감지에 따른 자동 개폐형 우수 재활용 장치를 포함한다.

개발 과제의 배경

1) 서울시 내 대기오염 문제와 대기질 개선 필요성

• 2022년에 OECD 국가 중 한국은 PM2.5 농도가 가장 높은 국가로 평가

• 장기간 PM2.5에 노출될 경우, 서울 주민의 평균 기대 수명이 약 1.4년 단축, 대기오염으로 인해 연간 약 7,700명이 조기 사망할 것으로 추정

2) 실외 미세먼지의 특성과 실외 공기정화장치의 필요성

• 실외 미세먼지의 발생 요인 중 해외 발생 비율이 48%이므로 실외 미세먼지를 직접적으로 줄이는 것 또한 매우 중요

• 그러나 국내의 미세먼지 저감 대책은 발생원 위주 규제에 초점

3) 도시 내 기존 공기정화장치의 문제점 및 소형 공기정화장치의 필요성

• 기존 도시 공기정화장치는 거리가 떨어지면 정화 효과가 급감하여 전체적인 효과가 제한적

• 또한, 설치 비용과 유지보수 비용이 많이 들어 상용화에 한계

• 이러한 문제점을 보완하기 위해서 기존에 광범위하게 설치된 가로등에 공기 정화 장치를 부착하여 공기정화 가로등을 설계 예정

• 스마트 운영시스템을 도입하여 운영 효율성을 향상하여 비용을 줄이고자 함

4) 스마트가로등의 도입 현황과 필요성

• 전세계적으로 스마트 가로등의 도입이 확대되고 있음

• 서울시 역시 스마트폴이라는 이름의 스마트 가로등을 점점 늘려가고 있음

• 도시 내 스마트가로등은 시스템 효율화 및 부가가치 창출을 위해 도입될 필요

5) 공기정화 스마트폴의 필요성

• 공기정화를 할 수 있는 스마트폴 모델은 존재하지 않음

• 이번 설계에서 미세먼지 저감 최적화를 위한 스마트가로등을 설계하며 이를 공기정화 스마트폴로 제안

개발 과제의 목표 및 내용

1) 개발 과제의 목표

• 기존 가로등에 설치할 수 있는 소형 장치 설계
• 미세먼지 농도에 따른 운영 최적화 시스템 설계
• 유지관리를 용이하게 하기 위한 자동 세척 및 건조 시스템 설계

2) 개발 과제의 내용

• 오염도 감지에 따른 스마트 공기정화 시스템 설계
• 자동 세척 및 건조 시스템 설계
• 강우 감지 자동개폐형 우수저장조 설계

관련 기술의 현황_기술 현황 및 분석

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

가. 고성능 공기 정화 필터(HEPA)

• HEPA(High Efficiency Particulate Air)필터는 주로 유리섬유로 짜여 있어 매우 높은 여과 성능을 보이는 필터

• 현재 소형 공기청정기와 진공청소기에서 주로 사용

• 실외에서 사용 시 먼지 제거 효율성을 높지만, 성능 유지를 위해서 필터 교체가 자주 필요

나. 실외용 DEMC 모듈 필터

• DEMC (De-dusting, Ever-lasting efficiency, Maintenance-free Custom-fit) 모듈 필터는 실외 환경에서 미세먼지를 효과적으로 제거하는 기술

• HEPA 필터와 비교 시 초기 먼지 제거 효율은 낮지만, 필터 교체 없이 오랜 시간 성능을 유지하며, 실외 대기질 개선을 위해 설계된 기술

• 다양한 크기의 먼지를 제거할 수 있으며, 외부 공기 흐름을 원활히 유지하여 압력손실을 최소화함

다. 물세척 가능 세라믹 촉매 필터(CCF)

• 물세척 가능한 세라믹 촉매 필터(CCF)는 미세먼지와 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 동시에 제거하는 최신 필터 기술

• 이 필터의 주요 집진 원리는 구리 산화물(Cu2O)과 이산화티타늄(TiO2)을 이용한 광촉매 반응으로 VOCs를 CO2로 분해

• 이 필터는 최대 20년 동안 재사용할 수 있으며 물세척만으로 성능을 유지할 수 있어 유지보수 비용이 적게 들고 효과적으로 대기질 개선을 가능하게 하는 장치

특허조사 및 분석

가로등 부착형 공기정화기(10-2018-0048605)

가. 특허 정보

• 특허권자: 이종규
• 출원일자: 2018년 04월 06일

나. 특허 요약

• 가로등 부착형 공기정화기에 관한 것이며 빗물에 의한 먼지 저감 장치와 자동 세척수 처리 장치 등을 포함
• 가로등 측면에 설치되는 가로등 부착형 공기정화기이며, 이는 빛을 발하는 청사초롱 장치와 공기 내 미세먼지를 제거하는 필터부를 포함
• 필터부 내에는 빗물을 받는 장치가 있는데 여기서 빗물과 세정액을 결합하여 수세식으로 미세먼지를 제거하는 원리
• 세척수는 공기정화장치 내에 구비된 관을 통해 배출됨, 이때 관 내에 설치된 활성탄과 EM 미생물을 포함하는 황토볼을 활용하여 세척수 내 오염물질을 제거

다. 특허 효과

• 가로등 부착형 공기정화기로 가로등 근처의 미세먼지를 제거하여 대기오염물질을 저감
• 우수 활용해 세정액의 EM 황토볼을 세척하고, 세척에 사용된 물을 다시 정화하는 구조로 자동 세척 공정이므로 관리 비용 감소 및 편리성이 향상
• 태양광 에너지 이용하여 전원 공급할 수 있어 전력 소비 및 유지 비용을 절감
• 설치가 용이하여 사용상 편이성이 높음

미세먼지 정화 기능이 구비된 스마트 가로등(10-2022-0117638)

가. 특허 정보

• 특허권자: 한국해양대학교 산학협력단(주양익, 김도훈)
• 출원일자: 2021년 02월 17일

나. 특허 요약

• 태양광 발전 설비를 포함하면서 미세먼지의 살균 필터링 기능이 있는 스마트가로등
• 미세먼지 측정 센서를 포함하며, 해당 센서에서 감지되는 농도에 따라 미세먼지 정화 시설의 가동 정도를 조절
• 미세먼지 정화 시설을 가동하지 않을 때는 태양광 발전을 통해 얻는 전력을 가로등의 광원에 활용
• 미세먼지의 농도를 직접 측정하고 이를 장치를 통해 접근하여 미세먼지 농도를 얻을 수 있게 하는 설비를 포함

다. 특허 효과

• 야간 시야 확보 기능과 동시에 미세먼지를 제거하는 가로등을 설계하여 가로등의 역할 확장
• 자체 태양광 발전에 의해 생성된 전기를 활용해 환경오염 줄이고 전력량을 절감
• 공기정화 기능과 조명 기능을 선택적으로 가동하여 태양광 발전에 의해 충전된 배터리의 방전 및 수명 단축 문제 완화
• 공기정화 부의 가동을 대기질 상태 및 도로 이동오염원인 자동차가 많이 다니는 도로 및 시간대에 따라 제어하여 전기를 효율적으로 사용

세척이 가능한 헤파필터(10-2021-0132877)

가. 특허 정보

• 특허권자: 김태민
• 출원일자: 2020년 04월 28일

나. 특허 요약

• 필터는 지지대에 고정되며, 지지대 아래로 필터 튜브가 돌출되는 구조로 구성
• 돌출된 필터 튜브들은 세척조에 침전되어 세척되고 건조
• 세척조는 동력으로 위아래로 올라갔다 내려갈 수 있도록 구성하여 세척 시기와 비세척 시기를 구분
• 세척조 내에 설치된 분사 노즐을 통해 세척액을 유출구 위에 분사하여 필터 튜브를 세척 및 기능 회복을 진행

다. 특허 효과

• 헤파필터 표면의 공극에 쌓이는 미세먼지를 씻을 수 있어 성능 저하를 방지
• 필터의 표면에 배출되지 못하고 남아있는 미생물의 성장으로 발생하는 곰팡이 등을 방지
• 헤파필터의 교체 주기가 길어지기 때문에 운영 비용이 절감
• 기존 헤파필터의 세척 시 재사용이 불가능하다는 점을 보완

기술 로드맵

관련 기술의 현황_시장 상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 및 비교

인도 델리의 Anti Smog Tower

가. 기술의 개요 및 특징

• 대형 팬을 통해 탑 상부에서 오염된 공기를 흡입하고 내부에서 정화된 후 탑 하부에서 깨끗한 공기를 방출하는 Downdraft Air Cleaning System을 활용.
• 10,000개의 HEPA 필터와 공기 이온화 기술의 원리에 따라 대기오염물질을 제거
• 비싼 설치 및 유지관리 비용
• 구조물로부터 100m 떨어진 곳에서 미세먼지 감소율은 12~13%로 극히 미미

나. 본 제품의 단점 및 이를 해결할 수 있는 우리 설계의 전략

• 장치의 규모가 커 기술을 적용할 부지를 찾기 어려움

  -> 소형화 장치의 탈부착 방식으로 인한 기술 적용의 용이성 

• 단일 장치이므로 거리 증가에 따른 저감 효율 감소 문제

  -> 장치를 도시 지역 곳곳에 설치하여 거리 증가에 따른 저감 효율 감소 문제 해결 기대

• 장치의 큰 유지관리 비용

  -> 자동 세척 시스템을 적용하여 유지관리 비용 감소

㈜나옴의 나옴 스테이션과 나옴 튜브

가. 기술의 개요 및 특징

• 나옴 스테이션이란 통합적 미세먼지 관리를 위한 시스템으로 빅데이터 AI 기반의 미세먼지 관리, 수집, 해석을 수행하고 예측
• 나옴 튜브는 실외 미세먼지 저감장치이며 원통형 구조 안에 스크루 모양의 초정밀 브러시가 회전하면서 정전기와 원심력 등으로 저감
• 나옴 튜브에 사용되는 필터의 경우 장시간 사용하여도 초기 압력손실과 입자 제거성능을 유지할 수 있고, 재질 특성상 세척이 가능
• 최근 세종시 버스정류장에 적용되어 충분한 미세먼지 저감 성능
• IoT, 인공지능 기술을 통한 능동 관리로 운영 효과가 극대화
• 일정 주기마다 필터의 물세척이 필요

나. 본 제품의 단점 및 이를 해결할 수 있는 우리 설계의 전략

• 주기적으로 물 세척이 필요

  -> 우수 재활용 및 필터 자동 세척 시스템을 통해 유지관리비 절감

• 설치 공간을 마련 필요

  -> 기존 가로등을 활용하므로 설치 공간 활용성 높음

마케팅 전략

SWOT 분석 가. Strengths 강점

• 집진 장치의 자동 세척 및 건조 공정으로 인한 유지관리 비용 절약
• 소형 도시 대기오염 저감장치의 활용을 통한 부지 면적 최소화
• 기존 가로등 활용에 따른 낮은 부대 설치비용 / 우수 재활용에 따른 추가 경제성 확보

나. Weaknesses 약점

• 집진 장치 세척수로 인한 폐수 발생 / 초기 설치 비용 소요
• 추가 동력 설비로 인한 에너지 소비량 증가

다. Opportunities 기회

• 스마트 도시화 확대에 따른 도시 내 IoT 기술 수요 증가
• 대기질 개선 관련 규제의 강화에 따른 대기오염물질 저감 필요성 증가

라. Threats 위협

• 해당 기술에 대한 시장 수용성이 낮으면 기술 채택이 되지 않을 수 있음
• 도시 내 대기오염 저감에 대한 사회적 관심도 부족

SWOT 분석에 따른 전략 수립 가. S/O 전략 (강점을 살려 기회를 최대화하는 전략)

• 적합한 IoT 기술 및 자동화를 도입한 소형 대기오염 저감장치를 통해 스마트 도시에 기여

나. S/T 전략 (강점을 이용한 위협을 극복하는 전략)

• 경제성 확보 및 성능 보장을 통해 낮은 시장 수용성에 대한 대처 능력을 키움

다. W/O 전략 (약점을 보완하여 기회를 포착하는 전략)

• 에너지 소비량 증가를 스마트 운영과 자동화 방식으로 보완하여 스마트 도시화와 대기질 규제 강화 기회를 최대한 활용

라. W/T 전략 (약점을 최소화하여 위협에 대처하는 전략)

• 저감장치의 공간적 범위를 고려한 설치 장소의 최소화를 통해 초기 설치 비용을 절약하여 시장 경쟁성을 확보

개발과제의 기대효과

기술적 · 사회적 기대효과

• (빗물 재활용 세정) 우수 재활용을 통한 물 재이용성 증가 및 부가가치 창출
• (미세먼지 저감) 도시 내 미세먼지 및 비산먼지 저감 및 대기질 개선 효과
• (자동 세척) 집진 장치의 자동 세척 및 건조를 통한 유지관리성 상승
• (IoT) 대기오염물질 농도에 따른 운영 강도 조절을 통한 운영 효율성 상승
• (가로등 부착형) 기존 가로등에 부착하고 설치하여 적용성 증가 및 공간 활용성 증가
• (대기질 개선 스마트폴 활용) 대기질 개선 스마트폴의 개발로 인한 지자체 내 대기오염 인식 개선

경제적 기대효과

• (운영 비용) 운영 효율성 상승에 따른 운영 비용 감소
• (유지관리 비용) 필터 교체 및 장치 부식 등에 필요한 유지관리비 감소

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

• 이태영: 시설 설계, 문헌 탐색 및 수집
• 전준형: 3D 설계 및 프린팅, 문헌 탐색 및 수집
• 조우진: 시설 설계, 문헌 탐색 및 수집
• 최현수: 과제 총괄 및 보고서 작성, 시설 설계, 문헌 탐색 및 수집

설계사양

제품의 요구사항

목적계통도

개념설계안

모식도

• 본 보고서에서는 다음 3가지에 대한 개념설계를 진행

(1) 자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치

(2) IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

(3) 강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

개념설계내용

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치

목적

• 소형 집진 장치를 통해 실외 미세먼지의 효과적 제거
• 전기집진장치의 세척 및 건조의 필요성

작동원리 및 핵심 기능

(1) 전처리 필터 및 전기집진장치의 자동 세척 공정

• 전기집진장치의 전·후단에 미세먼지 농도 측정 센서를 설치해 전기집진장치의 집진효율 감소를 측정
• 전기집진장치의 집진효율이 일정 이하가 될 때 센서에서 신호를 보내 세척수를 노즐을 통해 분사

(2) 전기집진 필터의 자동 건조 공정

• 세척 후 건조 시 전기집진장치를 작동시키지 않고 전처리필터와 헤파필터만을 이용해 집진
• 집진 시의 송풍을 통해 전기집진장치를 건조

(3) 습도 감지 센서를 통한 건조 후 운영 재개 공정

• 습도 감지 센서를 활용해 장치 내 습도를 측정 / 건조 완료 시 전기집진장치 가동하여 정상운영 재개

IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

목적

• 실외 미세먼지의 효과적인 저감 운영
• 전기집진 장치의 문제점 보완

작동원리 및 핵심 기능

(1) 미세먼지 농도 증감에 따른 탄력적 집진 장치 운영

• 해당 지역의 실시간 미세먼지 농도 데이터를 측정 센서를 통해 아두이노 메인보드에서 수신
• 실시간 미세먼지 농도 데이터가 일정 이상이 될 때 송풍기의 유입 유량을 증가하여 저감량 증가
• 미세먼지 농도 데이터가 일정 이하가 될 때(집진 필요성이 떨어질 때) 송풍기의 가동 중단

(2) 습도에 따른 집진 장치의 유연한 운영

• 습도 감지 센서를 활용하여 장치 내 습도 측정
• 장치 내 습도가 매우 높아질 때 전기집진장치의 집진효율이 떨어지고 에너지 소비 효율 커짐
• 이때 전기집진장치의 가동을 중단하고 전처리 필터와 HEPA 필터만을 이용해 집진 장치 운영

강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

목적

• 빗물을 활용한 집진 장치 세척 용수 확보4

작동원리 및 핵심 기능

(1) 강우 감지 자동 개폐 시스템

• 자동 개폐 시스템을 우수 차단 장치(덮개)에 도입하여 강우 시에만 개방하여 증발 및 오염유입 방지
• 특정 수위에 도달하면 다시 우수 차단 장치(덮개)를 닫아 저장된 빗물의 오염을 방지 및 수위 조절

(2) 전처리 필터를 통한 세척수 수질 확보

• 전처리 필터로 섬유 필터를 도입하여 부유물질을 제거하고 세척수로써 충분한 수질 확보

상세 설계안_이론적 계산을 통한 집진 장치 설계 & 운영방식 결정

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (1) 소형 미세먼지 저감장치 설계

목표 입자 및 집진효율 선정

[설계 방향성]

• 해당 장치의 목표 집진효율을 결정하고 장치의 규격을 목표 집진효율에 맞춰서 설계

[목표 집진효율 설정 - 전기집진장치의 제거 목표 직경과 해당 직경의 집진효율]

• 전기집진장치는 직경 2.5 μm를 기준으로 집진효율의 감소 속도가 증가하므로, 직경 2.5μm 이상 입자들에 대해서 집진효율 99%를 목표로 설계
• 직경 2.5μm 미만 입자들은 후단의 헤파필터에서 제거하는 것을 목적으로 설계

[목표 집진효율 설정 - 스크린과 헤파필터의 집진효율]

• 스크린은 전기집진장치에 이물질(나뭇잎, 모래 등)이 유입 방지를 위해 TSP(총 부유먼지)보다 큰 입자는 배제하여 제거 효율을 100%로 설계
• 헤파필터는 시중에 일반적으로 적용된 H13 등급의 필터를 사용하여 H13 필터의 집진효율을 그대로 적용하여 설계

[장치별 목표 집진효율]

• 위와 같이 설계한 필터별 목표 집진효율은 아래 표와 같음

전기집진장치 설계

[설계 방향성]

• 실외 대기오염 저감장치의 경우 장치 규모의 확장성에 한계가 있음
• 집진 장치 규모에 직접적 영향을 받는 미세먼지 저감 성능에도 한계가 있기에 성능을 해당 장치 규모에서 가능한 한 최대로 설계

[송풍량 고정]

• 대기오염 저감장치의 성능을 주어진 규모에서 최대화하기 위해 송풍량을 10CMM으로 고정

[집진판 설계]

• 전기집진장치에서의 집진효율은 Deutsch-Anderson 식을 통해 계산할 수 있으며 이는 아래 식과 같음
• 이에 따라 전기집진장치에서의 제거율은 유입 유량(10CMM)과 집진판의 겉보기 이동속도의 관계를 통해 결정

• 전기집진장치에서 집진극으로 입자가 이동하는 겉보기 속도는 아래 식을 통해 계산

• 집진 성능과 오존 발생량을 고려하여, 방전극 전압을 10kV로 결정
• 목표 효율과 전압이 정해진 상황에서 소형 장치로써 규모의 한계로 인해 집진극 간 거리를 2cm로 결정

• 해당 규격에 필요한 집진판의 총 단면적은 0.934m^2

• 전기집진장치의 유입속도를 2m/s로 설계, 설계유량 고려 필요한 장치의 통로 단면적은 0.083m^2
• 가스 통과하는 단면적을 28cm*29.5cm로 결정, 해당 규격에서 2cm 간격으로 15개의 집진판을 설치
• 집진판당 면적은 0.033m^2이며 집진판의 높이일 때 29.5cm일 경우 집진판 밑변은 아래 식과 같음

• 아래 표에 위 사항을 정리함

[방전극 설계]

• 집진극에 도입하기 전에 방전극을 통해 입자들을 음이온으로 대전시킨 후, 음이온으로 대전된 입자들이 양전하를 띠는 집진극을 통과하며 제거되도록 설계
• 방전극의 세기는 집진극의 전압과 같은 10kV로 설정, 극 재료는 오존 발생량을 낮출 수 있는 탄소 브러쉬 소재를 활용

[장치의 총 집진효율 산정]

• 위 계산된 인자들을 바탕으로 집진 장치 전체의 제거 효율을 계산
• 총 집진효율은 1) 미세먼지의 직경 별 농도분포와 2) 직경 별 집진효율의 곱을 통해 산정

• 1) 직경 별 농도분포는 서울 주거지역의 PM10/TSP 비율을 적용. 직경 10μm 이하 입자들의 농도분포에 대해서는 아래 표에서 직경 범위 별로 정리

• 2) 집진효율은 직경 2.5μm 기준 집진효율 99%로 계산한 Deutsch-Anderson 식을 이용하여 기존에 계산한 인자들을 고정하고 직경만 변경하는 역계산을 통해 각 직경 별 집진효율을 산정. 전기집진장치의 PM10 직경 범위 별 집진효율은 다음 아래 표와 같음

• 헤파필터의 직경 별 집진효율 최저 집진효율인 약 99.94%를 기준으로 계산
• 직경 별 농도분포와 집진효율의 곱의 합으로 산정한 실외 미세먼지 저감장치의 총 집진효율은 아래 표와 같음

헤파필터 설계

[헤파필터 규격 결정]

• 헤파필터의 두께를 설계하기 위하여 헤파필터의 압력손실에 관한 아래의 수식을 활용

• 위 식을 활용하여 설계한 헤파필터의 규격은 아래 표와 같음

송풍기 설계

• 이번 설계에 적용된 송풍기의 규격은 아래 표와 같음

자동 세척 및 건조 공정을 갖춘 실외 미세먼지 저감 장치 - (2) 자동 세척 및 건조 공정 설계

자동 세척 공정 설계

[세척 공정 설계]

• 전기집진장치의 집진효율이 떨어지면 미세먼지 농도 측정 센서가 이를 감지하여 장치 상단의 우수 저장조로부터 우수를 받아 노즐을 통해 분사하여 집진판 세척을 시행
• 본 설계와 비슷한 규모의 소형 전기집진장치를 참고하여 세척 수량 0.6, 세척 시간 1분으로 결정
• 집진극 면적은 0.934 m^2을 적용하여 1회당 세척 수량을 계산하면 다음과 같음

[세척 자동화 공정 설계 - 세척 주기 결정]

• 전기집진장치의 초기 집진효율에서 2.01% 이상 떨어지면 세척하도록 설계
• 기존의 전기집진장치의 PM 10 기준 집진효율인 90.43%가 88.6% 이하로 떨어지게 된다면 아두이노를 통해 세척을 자동으로 실시하도록 설계

자동 건조 공정 설계

[건조 공정 설계]

• 세척 후 건조 시 전기집진장치를 작동시키지 않고 스크린과 헤파필터만을 이용해 집진, 집진 시의 송풍을 통해 전기집진장치가 건조됨

[건조 및 운영 공정의 완전 자동화]

• 전기집진장치 하단에 세척 시 발생한 폐수를 버리기 위한 밸브가 존재
• 밸브 주위에 물 감지 센서를 설치하여 센서에서 물을 감지하지 못한다면 건조가 완료됐다고 판단하여 전기집진장치를 재가동, 실외 미세먼지 저감장치를 정상 운영

IoT 기반의 미세먼지 농도 및 장치 내 습도에 따른 운영 조절 시스템과 센서

미세먼지에 따른 유연 운영 설계

실외 미세먼지를 효과적으로 저감하고, 에너지 효율성을 갖추기 위해 미세먼지 농도에 따라 유연한 운영방식을 설계

• 가로등의 위치 특성을 고려하여 사람의 호흡기 건강 기준을 반영하는 ‘미세먼지 예보등급’의 농도를 기준으로 운영을 제어하도록 설계
• 미세먼지 예보등급 기준으로 “좋음”일 시 사람의 호흡기에 영향을 주지 않는 단계이기에 집진 장치를 가동하지 않도록 설계
• “보통”, “나쁨”, “매우 나쁨” 등급에서는 실외활동 시 건강에 악영향을 미쳐 집진이 필요하기에 집진 장치를 가동하도록 설계
• 아두이노의 미세먼지 농도 감지 센서를 활용하여 미세먼지 농도를 측정
• 미세먼지 예보등급 기준 “좋음”의 농도 상한선인 PM10 기준 미세먼지 농도가 30 µg/m^3 이하일 때 송풍기의 운영을 중단하도록 설계

습도에 따른 유연 운영 설계

상대습도가 90% 이상일 때, 전기집진장치에서 방전 전류와 이온 이동도가 급격히 감소하여 미세먼지 집진에 부정적인 영향을 미침

• 상대습도가 90% 이상일 때는 전기집진장치의 가동을 멈추고, 스크린과 헤파필터만을 이용해 집진 장치를 운영하도록 설계

강수 감지 기능이 포함된 자동 개폐형 우수 재활용 장치

강수 감지 방식 설계

• 필터의 오염부하를 최소화하고 전처리 필터 교체 횟수를 최소화하기 위해 우수 감지형 개폐 장치를 도입
• 우수 감지형 개폐 장치는 빗물 감지 센서(MH-RD)를 활용하여 우수 여부를 판단
• 센서의 전류량이 10% 이상 커질 때를 우수 시로 설정하여 우수 저장조 문을 개방하도록 설계
• 우수 저장조 내 수위 센서를 활용하여 우수가 활용할 만큼 충분히 포집된다면 신호를 보내어 우수 저장조의 문을 폐쇄
• 초기 강우는 대기 중 황화물과 질소산화물의 용해로 낮은 pH이기 때문에 전기집진장치의 세척수로 부적절
• 빗물 감지 센서에서 우수가 감지된 후 15분 후부터 우수 저장조의 문을 개방하도록 설계

우수 저장조 설계

• 우수 저장조는 원활한 우수 공급을 위해 저감장치의 상단부에 설치되도록 설계
• 규격은 장기간 비가 오지 않는 상황을 대비하여 최대 4회까지 세척이 가능한 수량 기준으로 결정
• 저장조의 바닥 단면적은 저감장치의 크기, 아두이노 본체 공간 마련을 고려하여 30cm * 20cm로 설계
• 이를 기준으로 높이를 계산하면 다음과 같음

• 실제 높이는 이물질 유입 방지를 위한 스크린 설치, 겨울철 동파 방지를 고려하여 5cm로 설계

상세 설계안_하드웨어 및 소프트웨어 설계

조립도 및 3D 설치 모형

부품도

제어부 및 회로 설계

소프트웨어 설계

집진 장치 - 라이브러리 설치 및 설정 / 변수 설정 및 아두이노 고유 번호 부여

집진 장치 – 루프문 기본값 설정 / 변수 인풋 · 아웃풋 설정 / LCD 기판 표기 설정

집진 장치 – 루프문(미세먼지 농도 측정 및 수분 감지 데이터 실시간 전송 루프문)

집진 장치 – 조건문(미세먼지 농도 조건 / 고습도 조건 / 세척 필요 조건 등에 따른 유연 운영)

우수 감지 자동 개폐 우수 저장조

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

집진장치

좌측부터 집진장치 정면도 - 측면도 - 평면도

우수저장조

프로토타입

포스터

개발 사업비 내역서

완료작품의 평가

완료 작품의 경제성 평가

설계 제품의 초기 비용 계산

• 설계 제품 ‘가로숨’의 초기 비용은 위 표와 같음
• ‘가로숨’의 초기 비용은 약 50만 원

설계 제품의 운영 비용 계산 1) 전력 비용 계산

• 본 설계에 사용한 송풍기의 소비전력은 245W
• 전기집진장치의 소비전력은 YHB ECO사의 소형 전기집진기를 참고하여 송풍량 10CMM 기준 30W로 결정
• 하루 운영시간은 미세먼지 농도가 30㎍/m3 이상일 때만 운영되는 것을 기준으로 결정하여 평균적으로 하루 12시간 운영
• 이에 따라'가로숨'의 소비전력은 3.3kWh
• 가로등의 전기요금은 47.2원/kWh
• 이에 따라 가로숨은 가로등에 연계되어 사용하기에 가로등의 전기요금을 사용하여 연간 전력 비용을 계산하면 다음과 같음

2) 유지관리비용

• 스크린 및 HEPA 필터는 1년 주기로 교체하며 그 비용은 초기 비용에서 계산한 값을 사용하여 결정

• 고장 발생 시 장치를 유지보수하기 위한 비용으로 연간 초기 비용의 10%인 5만 원의 유지관리비용이 필요하다고 가정
• 이를 고려한 ‘가로숨’의 연간 유지관리비용은 다음과 같음

• 이에 따른 연간 운영 비용은 다음과 같음

국외·국내 제품과의 경제성 비교 분석

1) 국외 제품 비교

• 국외 제품으로 중국 시안 스모그 타워와 비교함, 해당 제품의 사양은 송풍량 , 집진효율 80%
• 이 제품과의 총 먼지 제거량이 동일하기 위한 ‘가로숨’의 대수는 아래 식과 같음

• 가로숨’을 중국 스모그 타워와 비교하였을 때, 초기 비용 약 95%, 운영 비용 약 10%가 절감할 수 있음

2) 국내 제품 비교

• 국내 제품으로 분진 흡입 차량과 비교
• 해당 제품의 초기비용은 차량 가격 250,000,000원이며, 유지비용으로 연간 인건비 50,000,000원, 연간 유지관리 비용 20,000,000원으로 총 연간 운영 비용이 70,000,000원
• 해당 제품은 km당 0.0514kg의 미세먼지를 제거하는데 총 48,137km를 달리므로 연간 1대당 119.48kg의 미세먼지를 처리
• 따라서 먼지 흡입 차랑 한 대의 처리량은 가로숨 대수로 총 428대의 처리량에 해당

• 가로숨을 분진흡입차와 비교하였을 때, 초기 비용 약 14%, 운영 비용 약 19%가 절감 가능

완료 작품의 자체 평가 항목에 따른 총괄 평가

향후계획

• 실규모 장치의 집진 성능 평가 및 실증화
• 지역별 특성을 고려하여 최적화된 가로숨 설치 규모와 위치 결정 프로토콜 설계